近年来随着便携式产品的快速发展，对电源管理提出了越来越高的要求，而开关电源DC-DC具有高效率、低成本、小尺寸等优异性能，已经成为便携式产品的主流结构。

    电流模式控制的DC-DC具有良好的动态响应性能，简化了补偿电路的复杂性，减小电感所需的值，因此电流模式的DC-DC得到了快速的发展^[1]。在设计电流模式控制电路中，需要高效、快速地检测电流，因此设计一个良好的电流模式控制电路对系统性能是至关重要的。

    电流检测电路有很多种方式，参考文献[1]采用电感串联电阻检测，虽然能够达到较高的精度，但是电阻必定产生压降，势必导致系统效率的降低；参考文献[2]采用功率管R_DS检测，虽然无需采样电阻，电路结构也简单，但是由于R_DS深受温度的影响，直接导致了检测精度的降低；当今普遍采用的电流检测电路是功率管拷贝检测^[3-8]，其思想是利用镜像功率管拷贝开关管电流，为了保证精度，需要辅助电路，然而很多文献^[3-4]的辅助电路引入运放，这就增加了功耗；参考文献[5]设计了无需采用运放的结构，但是其检测的精度和速度都比较低。本文对参考文献[6]的结构进行改进，加入反馈电路，提高了电流检测电路环路的单位增益带宽且又不失相位裕度，使得电流检测电路具有高速、高精度的特点。

1 电路设计与分析

1.1 DC-DC系统结构

    本文所提出的DC-DC电路的内部结构框图如图1所示，其中虚线框内为芯片外围器件，整个电路主要由功率管(M_N、M_P)、误差放大器、振荡器、PWM比较器、斜坡补偿电路、逻辑驱动电路、基准电压源以及其他偏置和保护电路组成。其中电流检测电路采样开关电流，采样电流与斜坡补偿电流经电阻R_M得到输出电压V_M作为PWM比较器的输入端。通过这种方式，电流模式控制技术实现了逐个开关周期内控制输出电路，具有比电压控制更优越的动态性能以及负载调整率等特点。

1.2 传统电流检测电路

    传统电流检测电路如图2所示，其中M_P、M_N为功率管，M_S为功率拷贝管，M_P和M_S的宽长比为K：1。根据电流复制作用可以得到：

    电流检测反馈环路为M₄、M₅和M₆（节点a、b、c、d），断开节点b，形成环路。可以计算出环路增益和环路单位增益带宽：

    如果g_m6较小，则|T|和UGF较小。此时虽然PM较大，但是限制了电流检测感应的速度，尽管负载电流的增大使得g_m6会增大， |T|和UGF相应的增大，但是PM会下降，导致检测波形发生过冲。因此对于传统的电流检测电路，其速度和精度都较小。

    图3显示了当UGF较大的情况下出现过冲的现象以及UGF较小的情况下出现感应速度变慢的现象。因此传统电流检测电路存在弊端，需要进行改进。

1.3 改进型电流检测电路

    本文所提出的电流检测电路如图4所示。相比于传统电流检测电路，该电路通过引入新的反馈环M₈~M₁₂（虚线框内），当节点d电压发生变化时，通过M₁₂使得流过M₁₁的电流发生变化，电流镜复制后改变流过M₈、M₇的电流，进而改变节点b的电压，再通过M₅改变节点e的电压，使得节点e的电压V_e接近节点d的电压V_d，因此提高了V_c跟踪V_a的精度。

    图4引入M_s1、M_s2、M_s3是为了当输入V_GP为高电平时，V_a和V_c电压不会下降到0，从而在V_GP为低电平时缩短了电路的建立时间。同时M_s3的引入与参考文献[6]相比，又降低了电路所产生的功耗。

   断开节点b，可以推出环路的增益:

    由式(6)可知，存在4个极点，主极点P₁=1/(R_d·C_d)。由于R_b很小，故第4极点P₄=1/(R_b·C_b)对环路的稳定性没有影响。对于第2、第3极点：

    由式（7）与（10）知，环路的增益以及环路单位增益带宽都得到了提高，因此能够有效提高电流感应的速度以及精度。

    给定偏置电流I_b为500 nA，尽管流过M₁₁、M₁₀以及M₈的电流会随着负载电流的增大而增大，但是改进型电流检测电路总电流与负载电流比值非常小（始终小于0.2%）。

2 仿真结果与分析

    采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺模型，利用Cadence工具对本文设计的电路进行仿真验证。当输入电压V_in=3 V、输出电压V_out=1.2 V时，在不同负载下对传统电流检测环路以及改进型电流检测环路的频率特性进行仿真测试，仿真结果如图5所示。

    从图5可以看出，改进型电流检测电路环路的频率特性得到了较好的改善。

    当输入电压V_in=3 V、输出电压V_out=1.2 V时，在负载电流I_load=50 mA以及I_load=500 mA情况下，得到的电流检测电路瞬态曲线图如图6所示，可以知道其效率都能达到96%，建立时间小于40 ns。

    当输入电压V_in=3 V、输出电压V_out=1.2 V时，在负载电流从50 mA变到500 mA的情况下，对输出电压进行瞬态仿真，仿真结果如图7所示。从图7可以得到，输出电压V_out的下过冲电压为79 mV，上过冲电压为89 mV，其恢复时间小于36 μs，具有较好的瞬态响应性能。表1显示了系统的总体性能。

     本文通过分析传统型电流检测电路的缺点，在传统电流检测电路的基础上进行改进，提出了一种适用于降压DC-DC的改进型电流检测电路。所提出的电流检测电路加入反馈技术，提高电流检测电路环路的单位增益带宽且又不失相位裕度，因此较好地提高了电流检测的精度和速度。通过对电路的理论分析与设计，采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺模型，利用Cadence工具对电路进行仿真验证，得到在负载电流为50 mA～500 mA时都能够达到96%效率以及小于40 ns的建立时间。在开关频率为2 MHz时，输入电压范围为2.5 V~4.2 V，所需电感值为4.7 μH，电容值为10 μF，输出电压纹波小于18 mV。同时系统瞬态响应的上过冲与下过冲均小于90 mV，建立时间小于36 μs。

参考文献

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[5] Cheng Kuo-Hsing，Su Chia-Wei，Ko Hsin-Hsin.A highaccuracy and high-efficiency on-chip current sensing for current-mode control CMOS DC-DC buck converter[C].2008 15th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems，St-Julien，France，2008：458-461.

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[8] 陈晓飞，邹雪城，成俊，等.峰值电流模式降压DC/DC变换器芯片设计[J].微电子学与计算机，2008，25(8)：60-63.